第一次星間大戦の終結から30年後の西暦2040年。腕は立つが自由奔放で軍規違反を繰り返していた統合軍パイロットのイサム・ダイソンは、VF-11 サンダーボルトに代わる次期主力可変戦闘機のテストパイロットとして、太陽系外移民惑星「エデン」にあるニューエドワーズ・テストフライトセンターへの転属を命じられる。そこでは競合メーカー2社が開発した試作機「YF-19」と「YF-21」による採用コンペティション「スーパー・ノヴァ計画」が行なわれており、YF-21の開発主任兼テストパイロットを務めるガルド・ゴア・ボーマンの姿もあった。同じころ、エデンでは人工知能で動く人気絶頂のヴァーチャロイド・アイドル「シャロン・アップル」のコンサートが間近に控えており、イサムとガルドはシャロンのプロデューサーを務めるミュン・ファン・ローンと思いがけず再会する。3人はエデンで過ごした幼なじみであり、かつては親友どうしであったものの、7年前の事件をきっかけに関係は崩れていた。演習でガルドは脳波コントロールシステムを備えたYF-21の実力を見せつけるが、突如として7年前の記憶がフラッシュバックしてコントロールを失い、さらに自身の思考に起因する機体トラブルにより、同行していたイサムが乗るVF-11を大破させる。
エデンではシャロンのコンサートが開演し、観衆はその歌声と魅力に酔いしれる。プロデューサーとは名ばかりで、未完成の人工知能を秘密裏にサポートする役割を担っていたミュンは、コンサートを訪れていたイサムの姿を見て動揺し、一時的にシャロンが想定を外れた動きを見せる。それからイサムは修理を終えたYF-19を駆って大空を自由に飛び回り、無謀な行動を続けながらガルドのYF-21と競いあう。一方、かつて歌手を目指していたミュンは歌うことを拒み、イサムやガルドとも距離を置いて意気消沈する。その夜、イサムとガルドはコンサート会場で火災が発生するという予告電話を受け、それぞれミュンのもとに向かう。その電話と火災はミュンの心を読み取り、ひとりでに動きだしたシャロンによるものだった。先にたどり着いたガルドがミュンを救い、ミュンはガルドに対して感情を溢れさせ、やがてその身を寄せあう。翌朝、イサムは勝ち誇った態度のガルドと決着をつけるべく演習に臨むが、格闘戦で形勢不利になったYF-21が拾ったYF-19のガンポッドから装填されていないはずの実弾が発射され、重傷を負う。
ガルドは査問会議にかけられて故意を疑われるものの、上層部は一方的に事故と裁定する。イサムは病室から抜け出して、そばで見守っていたミュンとともにエデンの森を訪れて思い出を振り返る。病院に戻ってきたふたりを見たガルドは逆上し、イサムと殴りあいの喧嘩を始める。傷つくことを恐れて夢をあきらめていたミュンは、変わらずに夢を追い続けるイサムとガルドを前にしてシャロンの秘密と自己嫌悪の感情を吐露し、3人はわだかまりを抱えたまま別れる。シャロンの公演が終わり、ミュンは新たな興行のため、大戦終結30周年記念式典が行なわれる地球のマクロス・シティへと向かう。一方、上層部の当初からの意向により、統合軍は有人可変戦闘機に代わる新型無人戦闘機「ゴーストX-9」の採用を決定し、スーパー・ノヴァ計画は中止となる。これに不満を抱いたイサムは無断でYF-19を持ちだし、ゴーストに一泡吹かせるために採用発表が行なわれる地球を目指して飛び立つ。そのころ地球では、人工知能を偏愛するエンジニアの手によって中枢のブラックボックスに非合法のチップを組み込まれたシャロンが、ミュンの心をモデルとして完全な自我に目覚める。
シャロンによってマクロス・シティの情報ネットワークは掌握され、人々の精神もその歌声に支配されてゆく。イサムは地球の防衛網を突破して大気圏に突入するが、そこへ追撃要請を受けたガルドのYF-21が現れ、ふたりは口喧嘩を交えながら激しいドッグファイトを繰り広げる。その果てにガルドは、7年前にミュンを傷つけたのがイサムではなく自分自身であり、それを恥じて記憶を封じ込めていたことを思い出す。罪の意識にさいなまれるガルドをイサムは受け入れ、ふたりは友情を取り戻す。そこへイサムへの歪んだ愛を向けるシャロンが操るゴーストX-9が襲いかかる。ガルドは捕らわれたミュンをイサムに託してゴーストの相手を引き受け、イサムはミュンを救出すべく、シャロンの支配を受け浮上したマクロスへと向かう。無人機の機動力に勝ち目がないと判断したガルドは、YF-21のリミッターを解除し、壮絶な追撃の果てにゴーストと相討ちになる。イサムはシャロンの歌に取り込まれかけながらも、聞こえてきたミュン自身の歌によって意識を取り戻すと、砲火をくぐり抜けてマクロスの情報ネット中枢とシャロンのブラックボックスを破壊し、ミュンとの再会を果たす。
